我国光伏行业硅片制造环节产排污系数及环境技术调研与分析-solarbe文库

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我国光伏行业硅片制造环节产排污情况分析李海玲张嘉吕芳陈东坡周素王文静太阳能热利用及光伏系统重点实验室，中国科学院电工研究所，北京， 100190摘要我国是世界第一大光伏制造国家，其中硅片产量连续 6 年世界第一， 2012 年产量达到 28GW，占世界总产量的 70[1]。但如此庞大的产业却存在行业发展过快，缺少大量环境监管数据和决策支持数据的问题。这些数据的缺失，使得环境监管的力度不能落实到具体环节，环境监管的效果也大打折扣。本文在国家环保部公益项目的支持下，对光伏行业的硅片制造环节进行了污染防治的重要因素识别，对 “四同” 要素与产排污种类与强度的关系进行了探讨。课题调研发现，硅片制造过程污染物产生种类较少，治理技术成熟，对环境压力较小。并且硅片制造技术的进步有效降低了单位产品的产污与排污强度，一些正在走向产业化的新技术，如金刚石线切割、高效多晶铸锭技术、准单晶铸锭技术等，除具有提高产品质量降低生产成本的潜力外，还将进一步降低硅片制造过程的物耗、能耗及产排污强度，提高该生产过程的清洁性。本课题的研究成果将为实现我国光伏硅片制造环节污染最小化，促进太阳能电池板行业环境友好的健康发展起到一定积极意义。关键词硅片制造、特征污染物、四同1、前言光伏技术通过将太阳能转换成电能为人类带来清洁能源，但目前其生产过程却需要消耗常规能源，同时带来一些污染物的排放。在 2010 年前后，我国光伏产业规模膨胀迅速，急速扩张的光伏产业给环境也带来一些负面影响，如一些企业被媒体报道的污染物乱排、生产能耗远高于国外等，给光伏生产带来了高污染、高能耗的帽子。本课题在国家环保部公益项目的支持下，对光伏行业的硅片制造环境进行了污染防治的重要因素识别，对“四同”要素与产排污种类与强度的关系进行了探讨，完成了硅片生产过程重点污染物识别过程，并对技术进步对产排污的影响进行了分析。从硅片制造环节来说，硅片制造仍有降低生产成本提高生产清洁性的潜力，将能进一步提高光伏发电技术的竞争力。2、研究边界课题的研究针对我国光伏行业的硅片制造环节，边界界定为 6N 多晶硅料到硅片的过程（如图 1 所示），包含硅料准备（过程 1 ）、长晶（过程 2）及切割与清洗（过程 3）三个工艺环节。三个过程的界定如下过程 1硅料准备。包含外购多晶硅料及切割过程产生的边角料的处理与清洗。对铸锭多晶硅而言，此过程还包含坩埚的喷涂过程。过程 2长晶过程，合格多晶硅料在高温热环境下转变为硅锭或硅棒的过程。多晶采用铸锭过程，单晶采用拉棒过程。过程 3切割及清洗。包含将硅锭或硅棒切割成硅片的过程及硅片的清洗过程。图 1 课题研究边界的界定3、重点污染物的识别在对一个行业的污染物产生和排放进行分析时，需根据本行业污染物产生和排放的特点，识别影响污染物产生和排放的主要因素、次要因素、一般因素等。通常采用“四同” 分析法进行四同的划分和组合。一个四同组合（条件）代表生产相同（或类同）产品时、使用相同（类同）原材料、采用相同（相近）生产工艺、具有相同（相近）生产规模，即对产品、原材料、生产工艺和生产规模四种因素的组合。为对硅片生产过程的污染物产生和排放进行分析，课题采用 “四同” 分析法对硅片生产的三个过程分别进行了分析，如表 1-3 所示。表 1 硅料准备过程污染物的产生和排放分析原料产品规模工艺污染物指标治理措施排放去向“脏”多晶硅料“干净”多晶硅料所有酸洗废气粉尘布袋除尘排放入大气中F 碱液喷淋NOx 碱液喷淋废水PH 中和部分回用，部分排放入市政污水处理设施中SS 絮凝沉淀F 絮凝沉淀固废指标处理措施危险固废 -废酸委托有资质企业处理一般固废 -除尘灰外卖碱洗废气粉尘布袋除尘排放入大气中废水PH 中和部分回用，部分排放入市政污水处理设施中固废一般固废 -除尘灰外卖表 2 长晶过程污染物的产生和排放分析原料规模产品工艺污染物指标处理措施“干净”多晶硅料所有多晶硅锭定向凝固一般固废 -坩埚外售厂家进行回收所有单晶硅棒CZ法一般固废 -石英坩埚外售厂家进行回收表 3 切割及清洗过程污染物的产生和排放分析原料工艺规模产品污染物指标治理措施排放去向多晶硅锭/单晶硅棒多线切割清洗所有硅片有机废水PH 中和部分回用，部分排放入市政污水处理设施中COD水解酸化好氧氧化SS 沉淀危险固废污染物指标处理措施废砂浆委外回收再利用厂家自己回收再利用废胶委外处理一般固废处理措施污泥外卖废切割线外卖废玻璃外卖如表 1-3 所示，硅片生产过程属于比较清洁的过程，产生的污染物种类较少，主要污染物的产生集中切割与清洗环节，产生大量 COD、 SS及废砂浆。在硅料准备环节，不同企业采用的技术途径不同，造成污染物种类的差异。酸洗过程造成氟化物及氮氧化物的大气与水的排放；如采用碱洗，则除造成排放污水的 PH 值变化，仅造成部分无害污泥。4、技术进步对污染物的产生与排放的影响除原料、产品、规模、技术分类对污染物的产生与排放的影响外，硅片制造技术进步也对产排污也产生了显著影响。虽然硅片制造产业自诞生以来产业技术一直没有改变，但随着工艺水平及污染物治理技术的不断进步，单位产品的污染物产生量与排放量出现逐渐降低趋势。如铸锭技术的改进使得铸锭炉的尺寸越来越大，极大的降低了单位产品的能耗及对应固废排放量。砂浆回收技术的进步及切割工艺的改进，使得切割用砂浆中回收砂浆的比例越来越高，也极大的降低了单位产品污染物的排放，缓解了生产过程对环境的压力。随着技术水平的提高，一些新技术在逐步走出实验室实现小规模应用，这些新技术的使用将为环境解压带来更大益处。1）金刚石切割技术。金刚石切割技术突破性的摆脱了切割过程中对砂浆的依赖，极大的减少了 COD 及 SS的来源，同时避免了砂浆回收过程。金刚石切割技术已经在单晶硅的切棒中有所使用，多晶硅的切割仍在实验室开发中，目前高的切割成本阻碍了金刚石线切割技术的市场化转移。但金刚石切割具有清洁、低成本、高精度、低损伤的优势，有潜力替代现有的砂浆切割技术，成为未来的主流切割技术。 MeyerBurger 和 RENA都宣布其设备可以使用纯水充当切割过程中的润滑至制冷剂 [2]，如果得以推广则在切割过程中实现零 COD排放，且切割过程中产生的硅粉将更易回收从而提高硅料利用率，降低光伏发电成本。2）高效或准单晶铸锭技术。通过改善铸锭炉的热场及结晶工艺，可以很好的提高铸锭多晶硅的质量，降低单位产品的能耗。高效多晶硅及准单晶铸锭技术已经在铸锭过程中广泛应用，将进一步降低铸锭能耗提高铸锭过程的环境友好性。5、结论硅片制造过程较为清洁，排放的污染物种类较少，主要特征污染物包括 COD、 SS、废砂浆、废胶及氟化物、氮氧化物等。硅片制造过程表现出了产品、原料、技术的极大趋同性。通过调研发现，尽管硅片制造技术自诞生起未发生变化，但工艺进步降低了产排污强度。一些新的铸锭 /拉棒及切割技术正逐渐走向市场，术未来仍有巨大降低能耗及环境压力的空间，因此对硅片制造而言，生产过程环境友好，技术清洁。现有的光伏发电能量偿还期很短，但未来还可以更短。这些将进一步提高光伏发电技术竞争力。致谢本课题感谢国家环保部公益项目新能源产业（太阳能电池板）环境影响与管理研究（ 201209056 ）的支持。参考文献[1] Lv Fang,Xu Honghua, Wang Sicheng, National Survey Report of PVPower Applications inChina 2012, IEAPVPS[2] Shravan Kumar Chunduri, The diamond rush, Photon International,20135, P92